Bài giảng Các khí cụ điện và các phần dẫn điện

CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN & CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN Chương IV I. KHÁI NIỆM Khí cụ điện Để vận hành được trong NMĐ và TBA, ngoài các thiết bị chính như máy phát, máy biến áp còn cần phải có các khí cụ điện và các phần dẫn điện KCĐ đĩng cắt mạch KCĐ đo lường KCĐ hạn chế dịng NM Phần dẫn điện Dây dẫn mềm Thanh dẫn cứng Cáp II. KHÍ CỤ ĐIỆN 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện a. Máy cắt điện cao áp - Nhiệm vụ và công dụng : Máy cắt điện là khí cụ điện dùng để đóng cắt một phần tử của hệ thống điện như máy phát, máy biến áp, đường dây v..v..trong lúc làm việc bình thường cũng như khi có sự cố (ngắn mạch). - Ký hiệu : MC - Đối với máy cắt quá trình cắt, phương pháp, thời gian và khả năng dập tắt hồ quang khi cắt dòng ngắn mạch rất quan trọng. 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện - Phân loại : * Máy cắt nhiều dầu Dầu làm nhiệm vụ dập tắt hồ quang và đồng thời làm nhiệm vụ cách điện. Loại này đơn giản trong chế tạo, sử dụng, sửa chữa, giá thành thấp nhưng kích thước lớn, có khả năng gây nổ, cháy, khả năng cắt hạn chế, số lần đóng cắt dòng ngắn mạch ít, đưa đến thời gian ngừng cung cấp lớn, nhất là khi điện áp càng cao cho nên hiện nay hầu như ít được sử dụng. * Máy cắt ít dầu Chỉ có ít dầu, dầu chỉ đủ để làm nhiệm vụ dập tắt hồ quang còn cách điện sử dụng chất rắn. Loại này có kích thước gọn hơn, nhưng cũng tồn tại khuyết điểm như máy cắt nhiều dầu cho nên hiện nay cũng chỉ sử dụng với điện áp từ 15 kV trở lại. * Máy cắt không khí Dùng không khí nén để dập tắt hồ quang. Loại này kích thước nhỏ, khả năng dập tắt hồ quang tương đối tốt, an toàn về nổ, cháy, giá thành không cao lắm, tuy nhiên nó còn nhược điểm là cần có không khí nén với áp suất cao ( ở 220 kV cần áp suất khí nén đến 30-40 kg/cm2 ) do đó cần hệ thống nén khí phức tạp đắt tiền. * Máy cắt SF6 Dùng khí êlêga (SF6), có khuyết điểm so với không khí là nó không có trong thiên nhiên nhưng khả năng dập tắt hồ quang tốt hơn không khí nén, ví dụ với công suất cắt như nhau với khí SF6 chỉ cần áp suất 4-6 kg/cm2 và với khối lượng nhỏ hơn. Tuy nhiên khí SF6 cũng có khuyết điểm so với không khí nén là khí thải sau khi cắt dòng điện là khí độc với người, có khả năng cháy và nổ. Do đó trong công nghệ chế tạo yêu cầu không được thải ra ngoài trời. Để khắc phục máy cắt khí SF6 hiện nay được chế tạo có thiết bị thu hồi xử lí và sử dụng lại khí thải sau khi làm nhiệm vụ dập tắt hồ quang. Khí SF6 không bị mất đi mà chỉ cần bổ sung khi cần thiết sau một thời gian vận hành. Máy cắt khí SF6 còn có ưu điểm là số lần đóng cắt dòng ngắn mạch rất lớn không phải ngừng cung cấp điện để sữa chữa, độ tin cậy cao do đó xu thế hiện nay hầu như chỉ sử dụng loại này đối với điện áp từ 22 kV trở lên. 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện * Máy cắt tự sinh khí Trong loại máy cắt này buồng dập tắt hồ quang làm bằng vật liệu rắn tự sinh khí dưới tác dụng nhiệt độ cao để dâp tắt hồ quang khi cắt mạch điện, cách điện cũng dùng vật liệu rắn. Hiện nay chỉ chế tạo với Uđm đến 15 kV * Máy cắt điện chân không Các đầu tiếp xúc để đóng cắt của loại này đặt trong buồng chân không (áp suất 10-5 – 10-6 mmHg). Độ bền về điện của chân không cao hơn nhiều so với không khí áp suất bình thường do đó khi cắt mạch hồ quang được dập tắt rất nhanh. Ưu điểm nổi bật của loại này là kích thước nhỏ nhưng chế tạo phức tạp yêu cầu kỹ thuật cao, giá thành cao cho nên hiện nay còn trong thời gian thử nghiệm và chế tạo với Uđm đến 22 kV * Máy cắt phụ tải Máy cắt phụ tải cũng là máy cắt điện nhưng chỉ có khả năng đóng cắt dòng điện bình thường, không có nhiệm vụ đóng cắt dòng ngắn mạch do đó buồng dập tắt hồ quang đơn giản hơn, kích thước nhỏ hơn, giá thành cũng bé hơn so với máy cắt điện. Hiện nay chỉ chế tạo đến điện áp 24 kV chủ yếu để sử dụng cho các trạm biến áp của các xí nghiệp và trong lưới điện trung thế. 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Máy cắt SF6 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Máy cắt 365 kV 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Máy cắt dầu 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Máy cắt 220 kV 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Máy cắt 500 kV ở trạm Kunming 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Máy cắt 500 kV ở trạm Phú Lâm 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Máy cắt 220 kV ở trạm Phú Lâm b. Dao cách ly - Nhiệm vụ và công dụng : tạo khoảng cách trông thấy được để đảm bảo an toàn khi sửa chữa thiết bị. Trong khả năng DCL cũng có thể đóng cắt mạch điện trong một số trường hợp, nhưng nói chung là đóng cắt khi không có dòng hoặc dòng nhỏ, điện áp không cao lắm, sau khi máy cắt đã cắt mạch điện (thường là đóng cắt bằng tay qua bộ phận truyền động) - Ký hiệu : - DCL có cấu tạo đơn giản không có buồng dập hồ quang, chủ yếu truyền động bằng tay MC DCL DCL 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Dao cách ly 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện DCL 500 kV ở trạm Phú Lâm 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện DCL 500 kV ở trạm Phú Lâm 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện DCL 500 kV ở trạm Phú Lâm 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Mở DCL 345 kV 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Mở DCL 500 kV 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Cháy TBA c. Cầu chì cao thế - Nhiệm vụ và công dụng : Cầu chì dùng để bảo vệ mạch điện khi quá dòng. Bộ phận chính của nó là dây chảy và giá đỡ, cũng có loại có buồng dập hồ quang. CC khác MC ở chỗ MC có thể điều khiển được trị số dòng cắt, thời gian cắt do chỉnh định của bảo vệ rơle, còn CC sẽ tự động cắt theo đường đặc tính cắt của dây chảy - Ký hiệu : - Cầu chì có nhiều loại phụ thuộc vào cấu tạo và công dụng. Hiện nay chỉ chế tạo đến 35 kV, chủ yếu sử dụng trong mạng điện hình tia có dòng làm việc không lớn lắm và cho các máy biến điện áp (BU). CC - Cầu chì tự rơi ( FCO ) thực chất là cầu chì nhưng có cấu tạo đặc biệt, khi cắt sẽ cắt luôn dao cách ly ( trên phần động của dao cách ly gắn cầu chì ). 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Cầu chì cao thế 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện FCO 36 kV 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện Cầu chì cao thế d. Các khí cụ đóng cắt mạch điện dưới 1000V * Áp–tô-mát Là khí cụ điện có thể đóng cắt mạch điện lúc bình thường cũng như khi sự cố : quá tải, ngắn mạch, sụt áp, công suất chạy ngược … , ứng dụng trong mạng điện xoay chiều có điện áp đến 600V và một chiều đếùn 3300V,dòng định mức đến 6000A, những áp-tô-mát thế hệ mới có thể cắt dòng ngắn mạch đến 200-300 kA. Căn cứ vào chức năng bảo vệ áp-tô-mát chia thành các loại sau: . Áp-tô-mát dòng cực đại. . Áp-tô-mát dòng cực tiểu . Áp-tô-mát điện áp thấp . Áp-tô-mát công suất ngược. hoặc trong một áp-tô-mát có 2,3 chức năng Aùp-tô-mát dòng cực đại Aùp-tô-mát dòng cực tiểu Aùp-tô-mát CS ngược Aùp-tô-mát điện áp thấp 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện * Công tắc tơ Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để điều khiển đóng, cắt mạch từ xa điện áp bé hơn 1000V, cuộn đóng thường sử dụng điện áp mạch điện chính điều khiển do đó khi mất điện mạch chính công tắc tơ sẽ tự động cắt. A a b B 1 2 4 3 Sơ đồ nguyên lý côngtắctơ • AB. mạch động lực ab. mạch điều khiển 12- đầu tiếp xúc chính, 3- cuộn điều khiển đóng, 4- buồng dập tắt hồ quang 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện * Khởi động từ Khởi động từ là công tắc tơ nhưng có thêm bộ phận quay thuận nghịch sử dụng cho động cơ điện, rơle nhiệt để bảo vệ quá tải, bộ phận bảo vệ được chỉnh định tương ứng với công suất của động cơ. Để điều khiển động cơ dùng hộp có nút đóng (Đ), nút cắt (C) Sơ đồ nguyên lý khởi động từ• K1,K2,K3 : đầu tiếp xúc chính N,D : nút điều khiển cắt, đóng RN : rơle nhiệt K : cuộn đóng khởi động từ 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện K RN1 RN2 K1 K2 K3 K0 RN1 N D RN2 * Dao cắt tự động (CB) Dao cắt tự động (CB) là khí cụ cắt điện áp thấp chủ yếu đóng cắt bằng tay trong đó có rơle nhiệt có khả năng tự động cắt khi dòng điện vượt quá trị chỉnh định,khi dòng điện định mức lớn có thêm bộ phận dập hồ quang để tăng khả năng cắt. Hiện nay loại này được sử dụng rộng rải vì đơn giản, gọn, an toàn và giá thành thấp. * Cầu dao điện Cầu dao điện là khí cụ cắt điện áp thấp, đóng cắt trực tiếp bằng tay, thường có kèm theo cầu chì đẻ cắt mạch khi dòng điện đạt đến trị số chảy của dây chì 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện CB 1 pha CB chống chạm đất •* Điện áp định mức : •UđmMC  UHT Chọn các khí cụ đóng cắt mạch điện 1. Chọn MC : •* Dòng điện định mức : •IđmMC  Icbmax •* Khả năng ổn định nhiệt : •I2nh.tnh  BN •* Khả năng ổn định lực động điện : •Ilđđ.đm.MC  Ixk •* Khả năng cắt NM : •Icắt đm MC  I’’ •* Điện áp định mức : •UđmDCL  UHT Chọn các khí cụ đóng cắt mạch điện 2. Chọn DCL : •* Dòng điện định mức : •IđmDCL  Icbmax •* Khả năng ổn định nhiệt : •I2nh.tnh  BN •* Khả năng ổn định lực động điện : •Ilđđ.đm.DCL  Ixk II. KHÍ CỤ ĐIỆN 2 - Các khí cụ đo lường a. Máy biến điện áp (BU) - Nhiệm vụ và công dụng : biến đổi điện áp cao U1 về điện áp thấp U2 tương ứng với thiết bị đo lường, tự động ... - Ký hiệu : - Điện áp U2 thường là 100 V (với BU ba pha) hoặc 100/ V (với BU một pha)3 - Ưu điểm : + An toàn cho người và cho thiết bị. + Tiêu chuẩn hóa được việc chế tạo thiết bị đo lường và tự động. S S MBA BU Đồng hồ đo lường 2 - Các khí cụ đo lường Gồm sai số về biên độ và về góc pha. Sai số của BU phụ thuộc vào U1 , phụ tải thứ cấp Z2 và I0 … Căn cứ vào trị số của sai số về trị số và sai số góc chia thành các cấp chính xác 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 3 và 10. Cấp chính xác 0,2 dùng cho các dụng cụ đo lường mẫu Cấp chính xác 0,5 dùng cho công tơ điện Cấp chính xác 1 dùng cho các dụng cụ đo lường - Độ chính xác : * Máy biến áp kiểu ba pha năm trụ Mạch từ có 5 trụ, ngoài 3 trụ cho 3 pha còn thêm 2 trụ hai bên để cho từ thông thứ tự không 0 ( sinh ra khi điện áp sơ cấp U1 không đối xứng ) chạy qua mà không khép vòng qua dầu, không khí có từ trở lớn gây phát nóng. 2 - Các khí cụ đo lường A a1 B b1 C c1 X0 A0 * Máy biến áp kiểu bậc cấp Với điện áp ≥ 110 kV để giảm kích thước, trọng lượng, BU được chế tạo thành nhiều cấp giống nhau chồng lên nhau, cuộn sơ cấp chia đều trên các cấp : 110 kV có 2 cấp, 220 kV có 4 cấp … Để giảm cách điện giữa các cuộn sơ cấp với lõi, điểm giữa các cuộn sơ cấp nối với mạch từ, do đó cách điện chỉ cần chế tạo với U = Uđm / n trong đó n là số cấp. Loại này sai số phụ thuộc phụ tải thứ cấp, để khắc phục ta lắp thêm cuộn bù còn gọi là cuộn cân bằng 2 - Các khí cụ đo lường * Máy biến điện áp kiểu phân chia điện dung Khối C2 và máy biến điện áp BU chế tạo thành một khối, khi sử dụng vào mạng có điện áp U1 khác nhau chỉ cần chọn C1 2 - Các khí cụ đo lường C1 C2 Sơ đồ nguyên lý nối phụ tải của BU 2 - Các khí cụ đo lường Nối kiểu V / V Nối kiểu Y0 / Y0 Nối kiểu Y0 / Y0 / - Phụ tải của BU mắc song song 2 - Các khí cụ đo lường CHÚ Ý - Phụ tải của BU là toàn bộ các đồng hồ đo nối vào thanh góp hoặc 1 phân đoạn của thanh góp - Không được nối tắt ngõ ra của BU - Cuộn thứ cấp phải nối đất để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị đề phòng khi điện áp cao xâm nhập sang cuộn thứ cấp. 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện BU kiểu tụ 220 kV 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện BU kiểu tụ 500 kV 1 - Các khí cụ đóng cắt mạch điện BU 500 kV ở trạm Phú Lâm II. KHÍ CỤ ĐIỆN 2 - Các khí cụ đo lường b. Máy biến dòng điện (BI) - Nhiệm vụ và công dụng : biến đổi dòng điện cao I1 về dòng điện I2 tương ứng với thiết bị đo lường, tự động ... - Ký hiệu : - Dòng điện I2 thường là 5A cũng có thể 1A, 10A khi có yêu cầu. - Ưu điểm : + An toàn cho người và cho thiết bị. + Tiêu chuẩn hóa được việc chế tạo thiết bị đo lường và tự động. S S MBA BI Đồng hồ đo lường Gồm sai số về biên độ và về góc pha. Sai số của BI phụ thuộc vào I0/I1 và phụ tải thứ cấp Căn cứ vào trị số của sai số về trị số và sai số góc chia thành các cấp chính xác 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 3 và 10 Cấp chính xác 0,2 dùng cho các dụng cụ đo lường mẫu Cấp chính xác 0,5 dùng cho công tơ điện Cấp chính xác 1 dùng cho các dụng cụ đo lường lắp bảng Cấp 3 và 10 dùng cho các bộ truyền động cho máy cắt Riêng bảo vệ rơle tuỳ theo yêu cầu của từng loại bảo vệ mà dùng BI có cấp chính xác thích hợp. 2 - Các khí cụ đo lường - Độ chính xác : * Máy biến dòng kiểu một vòng quấn Khi dòng sơ cấp I1 lớn cuộn sơ cấp của BI chỉ có một vòng dây (W1=1) dưới dạng một thanh xuyên qua mạch từ, hoặc không có thanh xuyên khi sử dụng mạch điện luồn xuyên qua mạch từ (ví dụ kiểu Ampe kềm). Cuộn thứ cấp có thể có một, hai cuộn thứ cấp với các mạch từ khác nhau thích hợp theo yêu cầu (đo lường, bảo vệ rơle …). 2 - Các khí cụ đo lường * Máy biến dòng kiểu bậc cấp Để giảm tỷ số biến dòng KI trong một cấp do đó giảm sai số của BI khi chế tạo chia BI thành nhiều cấp, mỗi cấp có tỷ số KiI (Ki1,Ki2, …). Tỷ số biến dòng chung của BI là tích số các Kij KI = Ki1 .Ki2 I1 I2 A 2 - Các khí cụ đo lường * Máy biến dòng thứ tự không Cần chú ý khi mạch điện sử dụng cáp ba pha cần thêm dây nối vỏ cáp với đất và xuyên qua mạch từ vì trong vỏ cáp đã có từ thông 0 , dòng điện trong dây nối đất này sẽ sinh ra từ thông ngược chiều để khử từ thông 0 đã nói trên. A B C ABC CBA ....  2 - Các khí cụ đo lường * Máy biến dòng kiểu bù 0=1+2 1 2 Với mạch từ I : I = I1w1 – I2 ( w2 + w2’ ) Với mạch từ II : II = I1 ( w1+1 ) – I2 ( w2’’ + w2 ) Để giảm dòng từ hóa I0 và giảm cả sai số về trị số cũng như sai số góc, BI được chế tạo thêm cuộn bù, có hai mạch từ I và II , cuộn sơ cấp quấn vào mạch từ I với w1 vòng, quấn vào mạch từ II với w1 + 1 vòng, cuộn thứ cấp chia làm ba phần, quấn vào cuộn I với w2’ vòng, vào mạch từ II với w2’’ vòng và quấn chung cả hai mạch từ với w2 vòng. 2 - Các khí cụ đo lường w2’ w2 w2’’ w1w1 + 1 Mà : w2’ > w2’’ 0 =  0I -  0II  0 * Máy biến dòng kiểu lắp sẵn Trong một số máy cắt điện, máy biến áp điện lực công suất lớn thường ở các đầu ra đã đặt sẵn một số máy biến dòng kiểu một vòng quấn có nhiều cuộn thứ cấp, khi thiết kế cần tận dụng hết các BI này, nếu cần mới đặt thêm. Cần chú ý cuộn nào không sử dụng phải nối tắt lại. Tỷ số KI = w2 / w1 được chọn thích hợp theo dòng sơ cấp I1 bằng cách thay đổi w2 (nối tiếp các cuộn thứ cấp với nhau). 2 - Các khí cụ đo lường Sơ đồ nguyên lý nối phụ tải của BI 2 - Các khí cụ đo lường Nối trên 1 pha Nối kiểu V / V Nối 3 pha hình Y W - Phụ tải của BI mắc nối tiếp 2 - Các khí cụ đo lường CHÚ Ý - Cuộn thứ cấp phải nối đất để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị đề phòng khi điện áp cao xâm nhập sang cuộn thứ cấp. - Phụ tải của BI là toàn bộ các đồng hồ đo nối vào 1 mạch - Không được để hở mạch cuộn thứ cấp, vì khi hở mạch dòng từ hóa I0 = I1 rất lớn làm cho mạch từ bị bảo hòa, 0 sẽ bằng đầu đưa đến e0 sẽ rất lớn  dt d e  BI 110 kV 2 - Các khí cụ đo lường BI 220 kV ở trạm Phú Lâm 2 - Các khí cụ đo lường BI 500 kV ở trạm Phú Lâm 2 - Các khí cụ đo lường BI 220 kV ở trạm Phú Lâm 2 - Các khí cụ đo lường •* Điện áp định mức : •UđmBU  UHT 1. Chọn BU : •* Công suất định mức : •SđmBU  S2 Chọn các khí cụ đo lường    222 BCABBCAB QQPPS  QABPBCQABPABTổng cộng 2. 1. Q(VAR)P(W)Q(VAR)P(W) Phụ tải trên pha BC Phụ tải trên pha AB Số lượngKiểuDụng cụ đo •* Điện áp định mức : •UđmBI  UHT 2. Chọn BI : •* Dòng điện định mức : •IđmBI  Icbmax / kqt •* Khả năng ổn định nhiệt : •I2nh.tnh  BN •* Khả năng ổn định lực động điện : •Ilđđ.đm.BI  Ixk Chọn các khí cụ đo lường Chọn dây dẫn cho mạch nhị thứ BI : Chọn các khí cụ đo lường l ltt =l l ltt =2l l ltt = l3 Tổng cộng 2. 1. CBA Phụ tải trên phaLoạiDụng cụ đo Phụ tải của máy biến dòng ghi vào bảng Chọn dây dẫn cho mạch nhị thứ BI : •* Tính ngược từ độ chính xác của BI : • Z2 = Z2dc + Rdd ≤ Z2đm.BI Chọn các khí cụ đo lường dc2BI.đm2 ttdd dd ttdd dd ZZ l. R l. F   Để đảm bảo sức bền cơ : - Đối với dây dẫn bằng đồng : FCu ≥ 1,5 mm2 - Đối với dây dẫn bằng nhôm : FAl ≥ 2,5 mm2 Nếu có công tơ, để đảm bảo sai số về sụt áp : - Đối với đồng : FCu ≥ 2,5 mm2 - Đối với nhôm : FAl ≥ 4 mm2 II. KHÍ CỤ ĐIỆN 3 - Khí cụ hạn chế dòng ngắn mạch Khi dòng điện ngắn mạch lớn, ta không chọn được thiết bị phù hợp hoặc phải chọn MC, DCL và các phần dẫn điện rất lớn trong khi dòng điện làm việc bình thường nhỏ làm tăng vốn đầu tư không cần thiết. Trị số dòng ngắn mạch được xác định gần đúng theo biểu thức :   X E I N Trong đó E là điện áp nguồn, không thể thay đổi X là tổng trở đến điểm ngắn mạch Để giảm được IN chỉ cần tăng X bằng cách sử dụng kháng điện Kháng điện là một cuộn dây điện cảm gồm w vòng, không có lõi. Khi có dòng điện xoay chiều chạy qua, tự bản thân có điện cảm L và tạo thành điện kháng Xk = L Chế tạo điện kháng X mà không chế tạo R vì tổng trở khi ngắn mạch trên 1000V, thành phần điện trở nhỏ; tăng X hiệu quả tốt hơn. Chế tạo không có lõi vì yêu cầu hạn chế dòng ngắn mạch; trong khi nếu có lõi, khi dòng ngắn mạch lớn, mạch từ bão hòa làm giảm trị số điện kháng Nhưng khi đặt kháng điện lại phát sinh : - Tổn thất U = IXk - Tổn thất Q = I2Xk Để giảm bớt các tổn thất này cần xác định nơi cần đặt kháng, trị Xk thích hợp và nhất là loại kháng điện. 3 - Khí cụ hạn chế dòng ngắn mạch Theo cấu tạo Kháng điện kiểu lắp ghép Kháng điện kiểu bê tơng Theo nguyên lý làm việc Kháng thanh gĩp Kháng đường dây Phân loại Kháng đơn Kháng kép 3 - Khí cụ